Ydinvoimalaitosten syöttövesipumput. Steam generator and reactor feed pumps

Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Energiatekniikan koulutusohjelma BH10A0200 Energiatekniikan kandidaatintyö ja seminaari Ydinvoimalaitosten syöttövesipumput Steam generator and reactor feed pumps Työn tarkastaja: Tutkijaopettaja Pekka Punnonen Työn ohjaaja: Tutkijaopettaja Pekka Punnonen Lappeenranta 24.3.2014 Olli Ruuska

TIIVISTELMÄ Olli Ruuska Ydinvoimalaitosten syöttövesipumput Teknillinen tiedekunta Energiatekniikan koulutusohjelma Kandidaatintyö 2014 34 sivua, 10 kuvaa ja 1 taulukko Hakusanat: syöttövesipumput, ydinvoimalaitokset, pumput Tässä kandidaatintyössä perehdyttiin ydinvoimalaitosten syöttövesipumppujen rakenteeseen ja erityispiirteisiin. Työssä on esitelty aluksi syöttövesipumppujen yleistä rakennetta ja niihin liittyvää teoriaa. Omina osa-alueinaan on käsitelty syöttövesipumppujen rakennetta, valinta- ja mitoitusperusteita, voimanlähteitä sekä kavitoinnin estämiseen käytettäviä menetelmiä. Ydinvoimalaitosten osalta on esitelty kiehutus- ja painevesilaitosten vesi-höyry-kiertopiirien toimintaperiaate sekä syöttövesipumppujen rooli näissä laitoksissa. Ydinvoimalaitosten syöttövesipumppujen teknisiä erityispiirteitä on esitelty omassa kappaleessaan sekä vertailtu eri valmistajien pumppumalleja keskenään. Lopussa on luotu katsaus suomalaisissa ydinvoimalaitoksissa Loviisassa ja Olkiluodossa käytössä oleviin syöttövesipumppuihin ja syöttövesijärjestelmiin. Rakenteen osalta ydinvoimalaitosten syöttövesipumput poikkeavat tavanomaisissa voimalaitoksissa käytetyistä pumpuista siinä, että ydinvoimalaitosten syöttövesipumput ovat yleensä yksiportaisia alhaisempien nostokorkeuksien vuoksi. Syöttövesipumppujen tehtävänä ydinvoimalaitoksissa on höyryn- ja edelleen energiantuotannon mahdollistamisen lisäksi myös reaktorin tai primääripiirin jäähdyttäminen.

SISÄLLYSLUETTELO 1 Johdanto 5 2 Keskipakopumpun toimintaperiaate 6 2.1 Pumpun keskeiset toiminta-arvot... 6 2.2 Kavitointi ja NPSH... 7 3 Syöttövesipumput yleisesti 9 3.1 Syöttövesipumpun valinta ja mitoitus... 11 3.2 Syöttövesipumpun rakenne... 12 3.3 Voimanlähteet... 16 3.4 Kavitoinnin estäminen syöttövesipumpuissa... 17 4 Ydinvoimalaitosten syöttövesijärjestelmät 19 4.1 PWR... 19 4.2 BWR... 21 5 Ydinvoimalaitosten syöttövesipumput 23 5.1 Pumppuvalmistajat ja -mallit... 25 6 Loviisa 1 & 2 27 6.1 Syöttövesijärjestelmän ja -pumppujen yleiskuvaus... 27 6.2 Varajärjestelmät... 29 7 Olkiluoto 31 7.1 Olkiluoto 1 ja 2... 31 7.2 Olkiluoto 3... 32 8 Yhteenveto 33 Lähdeluettelo 35

Symboli- ja lyhenneluettelo Roomalaiset aakkoset g putoamiskiihtyvyys m/s 2 H nostokorkeus m n pyörimisnopeus rpm, 1/s P teho kw p paine bar, Pa Q tilavuusvirta l/s, m 3 /s Kreikkalaiset aakkoset η hyötysuhde - ρ tiheys kg/m 3 Lyhenteet BWR EPR NPSH PWR kiehutusvesireaktori eurooppalainen painevesireaktori net positive suction head painevesireaktori

5 1 JOHDANTO Syöttövesipumput ovat tärkeä osa voimalaitosprosessia. Syöttövesipumput pumppaavat vettä höyrystettäväksi ja ylläpitävät tarvittavaa kiertopiirin painetta. Syöttövesipumppujen nostokorkeudet voivat olla useita kilometrejä ja ne lukeutuvat suurimpiin voimalaitoskäytössä oleviin pumppuihin. Syöttövesipumput toimivat ydinvoimalaitoksissa samalla periaatteella kuin muissakin voimalaitoksissa: pumput syöttävät syöttövettä höyrystettäväksi turbogeneraattoreissa tapahtuvaa sähkötehon tuotantoa varten. Energiantuotannon lisäksi syöttövesivirtauksella taataan reaktorin tai primääripiirin riittävä jäähdytys, joka on keskeinen toiminto ydinvoimalaitoksen turvallisen toiminnan kannalta. Ydinvoimalaitosten pumppuihin kohdistuvat luotettavuusvaatimukset ovat tämän vuoksi suuremmat kuin tavanomaisissa voimalaitoksissa (Karassik et al. 2008, 12.103). Ydinvoimalaitosten syöttövesipumput ovat tavanomaisissa voimalaitoksissa käytettyjen pumppujen tapaan suuritehoisia keskipakopumppuja. Ydinvoimalaitosten alhaisista höyrynarvoista ja sen myötä alhaisista nostokorkeuksista johtuen ydinvoimalaitosten syöttövesipumppujen rakenne kuitenkin poikkeaa tavanomaisten voimalaitosten syöttövesipumpuista. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on esitellä syöttövesipumppuja yleisellä tasolla sekä tutkia ydinvoimalaitoksissa käytettyjen syöttövesipumppujen erityispiirteitä. Työn alussa esitellään keskipakopumppujen toimintaan liittyviä peruskäsitteitä ja teoriaa. Seuraavaksi työssä käsitellään syöttövesipumppujen valintaperusteita, mitoitusta, rakennetta sekä voimanlähteitä. Ydinvoimalaitosten osalta käydään läpi kiehutus- ja painevesilaitosten kiertopiirien toimintaperiaate ja syöttövesipumppujen rooli kyseisten laitosten toiminnassa. Ydinvoimalaitosten syöttövesipumppujen erityispiirteitä käsitellään omassa kappaleessaan ja tämän lisäksi vertaillaan suurimpien pumppuvalmistajien malleja toisiinsa. Työn lopussa luodaan katsaus suomalaisten ydinvoimaloiden syöttövesipumppuihin ja järjestelmiin.

6 2 KESKIPAKOPUMPUN TOIMINTAPERIAATE Pumppaaminen on energian siirtämistä nesteeseen, jonka ansiosta neste voi tehdä työtä, kuten virrata putkistossa tai nousta korkeammalle tasolle (Karassik & McGuire 1998, 3). Keskipakopumput ovat tyypiltään kineettisiä pumppuja eli ne siirtävät energiaa pumpattavaan nesteeseen lisäämällä sen nopeutta. Keskipakopumppu koostuu yksinkertaisimmillaan pyörivästä roottorista ja tätä ympäröivästä staattorista. Roottori käsittää pumpun juoksupyörän eli impellerin ja tähän liitetyn akselin, joka välittää pyörimisenergian pumpun voimanlähteestä pumpulle. Staattori koostuu impelleriä ympäröivästä koteloinnista tai muusta rakenteesta, jonka tehtävänä on muuntaa virtausnopeutta staattiseksi paineeksi. Pumpun toiminnan kannalta oleellisia osia ovat myös akselin tiivisteet ja laakerointi. (Karassik & McGuire 1998, 3.) Keskipakopumpun toiminta perustuu virtausnopeuden muuttamiseen paineeksi. Pyörivä juoksupyörä kiihdyttää nestettä juoksupyörän kehän suunnassa. Tämä aiheuttaa staattisen paineen nousun nestevirtauksen kaartuvan liikeradan vuoksi. Juoksupyörältä poistuvaa virtausta hidastetaan pumpun staattoriosassa, jossa virtauksen kineettistä energiaa muunnetaan staattiseksi paineeksi. (Gülich 2010, 39.) Keskipakopumppujen tapauksessa staattori on spiraali tai siivellinen diffuusori (Karassik & Heald 2008, 2.249). Pumpussa tapahtuvaa paineennousua kutsutaan nostokorkeudeksi. 2.1 Pumpun keskeiset toiminta-arvot Pumpun toimintaa ja ominaisuuksia voidaan tarkastella sille määritettyjen toimintaarvojen kautta. Näistä joitakin oleellisimpia ovat pumpun tuotto, nostokorkeus, pumppausteho ja hyötysuhde. Pumpun tuotto tarkoittaa pumpun läpi virtaavaa tilavuus- tai massavirtaa. Nostokorkeus puolestaan tarkoittaa pumpun paineentuottokykyä, joka ilmaistaan yleensä metreissä. Nostokorkeus voidaan määrittää yhtälöllä

7 p H, (1) g missä H on nostokorkeus, ρ pumpattavan nesteen tiheys ja p paine-ero pumpun ylitse. Häviöttömän pumppauksen tehontarve P saadaan laskettua tuoton ja nostokorkeuden avulla yhtälöllä P ghq Q p, (2) missä Q on tuotto eli tilavuusvirta pumpun läpi. Pumpun hyötysuhde tarkoittaa pumpun isentrooppisen eli häviöttömän tehontarpeen suhdetta pumpun todelliseen tehonkulutukseen. 2.2 Kavitointi ja NPSH Pumpun imupuolella pumpattavan nesteen paine voi laskea paikallisesti niin alhaiseksi, että nesteeseen muodostuu höyrykuplia. Höyrykuplien saapuessa suuremman paineen alueelle tapahtuu äkillinen tiivistyminen, jota seuraa välittömästi paineisku ympäröivän nesteen täyttäessä kuplan tilavuuden. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitoinniksi. (Wirzenius 1978, 100.) Pumpattavan nesteen lämpötila vaikuttaa oleellisesti kavitointiherkkyyteen; mitä suurempi nesteen lämpötila on, sitä korkeampi on myös sen höyrystymispaine. Kavitoinnin aikaansaamat paineiskut voivat aikaansaada melua ja eroosion kaltaista vahinkoa pumpun rakenteisiin (Karassik & McGuire 1998, 473). Lisäksi kavitointi voi aiheuttaa värähtelyä, joka puolestaan voi johtaa pumpun komponenttien ennenaikaiseen kulumiseen ja erilaisiin toimintahäiriöihin. Laajamittainen höyrystyminen imukanavassa laskee myös pumpun hydraulista suorituskykyä (Karassik & McGuire 1998, 473). Pumpun optimaalisen toiminnan varmistamiseksi kavitointi on minimoitava tai estettävä kokonaan. Kavitointi voidaan välttää varmistamalla pumpun imupuolelle tarpeeksi korkea paine. Keskipakopumppujen yhteydessä yleisesti käytetty termi NPSH (net positive

8 suction head) kuvaa sitä painetta, joka imupuolelle nesteen höyrystymispaineen lisäksi tarvitaan, jotta pumppu ei kavitoisi (Larjola et al. 2011, 82).

9 3 SYÖTTÖVESIPUMPUT YLEISESTI Syöttövesipumppu on tärkeä osa prosessia kaikissa veden höyrystämiseen perustuvissa voimalaitoksissa. Syöttövesipumput pumppaavat syöttövettä höyrystettäväksi sekä ylläpitävät laitoksen vesi-höyry-kiertopiirin painetta. Näihin liittyvät kiinteästi myös syöttövesipumpun toiminnan kannalta kaksi keskeisintä toiminta-arvoa: nostokorkeus eli pumpun tuottama paineennousu sekä pumpun tuotto eli pumpun lävitseen siirtämä massa- tai tilavuusvirta. Nämä toiminta-arvot vaihtelevat voimalaitoksen tyypistä ja koosta riippuen. Tarvittava nostokorkeus ja tilavuusvirta myös määräävät hyvin pitkälle sen minkälainen pumpputyyppi kyseiseen tehtävään parhaiten soveltuu. Syöttövesipumppujen suoritusarvot ilmoitetaan tyypillisesti tuoton osalta kuutioina tunnissa ja pumpun nostokorkeus metreinä. (Karassik & McGuire 1998, 720.) Syöttövesipumpun valinnalla on merkittävä vaikutus koko voimalaitoksen käytettävyyteen. Syöttövesipumppujen käytettävyys on edellytys koko laitoksen tuotannolle ja toisaalta syöttövesipumppujen energiankulutus vaikuttaa verrattain merkittävällä tavalla laitoksen kokonaishyötysuhteeseen. Sähköä tuottavissa, tavanomaisissa voimalaitoksissa syöttövesipumpun energiankulutus on karkeasti ottaen luokkaa 3 4 % laitoksen tuottamasta sähkötehosta (Sulzer 2010, 263). Syöttövesipumpuilta vaaditut suoritusarvot ja niiden myötä pumppujen rakenne vaihtelevat voimalaitostyypistä riippuen. Erästä ääripäätä syöttövesipumpulta vaadittujen suoritusarvojen osalta edustavat ylikriittiset höyrykattilat. Niissä kattilan paine on veden kriittisen paineen yläpuolella, mikä on noin 220 baaria. Tällaisissa laitoksissa pumpulta vaaditut nostokorkeudet ovat useita kilometrejä. Esimerkkinä tällaisesta pumpusta voidaan tarkastella Fortumin Meri-Porin ylikriittisen hiililauhdevoimalaitoksen pääsyöttövesipumppua, joka on Suomen suurin pumppu. Pumppu on saksalaisen KSB AG:n valmistama CHTD sarjan vaaka-akselinen, barrel tyyppinen, 6-portainen keskipakopumppu. Pumpun voimanlähteenä Meri-Porissa toimii höyryturbiini (Riikonen 1993, 28). Pumpputyypin maksimaaliset suoritusarvot ovat nostokorkeus 5300 metriä ja tuotto 3600 m 3 /h (KSB 2009). Meri-Porin voimalaitoksessa pumppu tuottaa syöttövedelle

10 3090 metrin nostokorkeuden, tuoton ollessa 1584 m 3 /h. Pumppua pyörittävän höyryturbiinin tehonkulutus on tässä toimintapisteessä noin 17,5 MW. (Riikonen 1993, 28-29.) Barrel-tyyppisen rakenteen ansiosta pumpun roottoripaketti (engl. pump cartridge) voidaan poistaa nopeasti ulos vetämällä ja korvata uudella roottoripaketilla, jota esimerkiksi Meri-Porissa säilytetään valmiina varastossa mahdollisen vikaantumisen varalta (Riikonen 1993, 28). Tämän ansiosta voidaan käyttää vain yhtä pääsyöttövesipumppua ilman rinnakkaisia varajärjestelmiä. Tynnyrimäinen barrel-rakenne käy ilmi kuvasta 3.1, jossa erottuu selkeästi pulteilla suljettu päätykansi. Tämä kansi avaamalla päästään käsiksi pumpun roottoripakettiin ilman että muita rungonosia täytyy purkaa. Kuva 3.1: KSB AG:n valmistama CTHD mallin syöttövesipumppu (KSB AG 2009, 1). Pumpun suuresta virtausmäärästä ja pyörimisnopeudesta johtuen pumpun NPSH-tarve on suuri. Riittävän imupaineen takaamiseksi Meri-Porissa käytetään KSB.n KRHAmallista booster-pumppua. Tämä yksiportainen, kaksipuolisesti imevä booster-pumppu antaa pääsyöttövesipumpulle 21 baarin imupaineen (Riikonen 1993, 29).

11 Toista ääripäätä pumpulta vaadittujen suoritusarvojen suhteen edustavat ydinvoimalaitosten syöttövesipumput. Ydinvoimalaitosten höyryn arvot ovat tavanomaisiin voimalaitoksiin verrattuna hyvin alhaisia johtuen tulistuksen puuttumisesta. Höyryn paine on laitostyypistä riippuen suuruusluokkaa 50 70 baaria, jolloin myös syöttövesipumpulta vaadittava nostokorkeus jää verrattain matalaksi. Ydinvoimalaitoksissa matalia höyrynarvoja kompensoidaan tuotetun höyryn suurella massavirralla. (Sulzer 2010, 263.) Näin ollen ydinvoimalaitosten syöttövesipumppujen tuoton täytyy olla korkea ja pumppuja tarvitaan yleensä lukumäärällisesti enemmän. 3.1 Syöttövesipumpun valinta ja mitoitus Syöttövesipumpun valinnassa tulee ottaa huomioon pumpulta vaadittu kapasiteetti, imupuolen olosuhteet, syöttöveden lämpötila sekä haluttu paineennousu. Näiden lisäksi tärkeitä valintaan vaikuttavia tekijöitä ovat syöttöveden vesikemia, veden ph pumppauslämpötilassa sekä imupaineen ja lämpötilan vaihtelut erilaisissa prosessitilanteissa. (Karassik & McGuire 1998, 720.) Syöttövesipumpulta vaaditun kapasiteetin määritys tapahtuu lisäämällä tunnettuun syöttöveden maksimivirtaukseen marginaali, joka kattaa kuorman heilahdukset ja toisaalta pumpun kulumisen myötä tapahtuvan kapasiteetin menetyksen. Tämä marginaali vaihtelee laitoskoon mukaan välillä 8 20 prosenttia marginaalin ollessa suurempi pienemmille voimalaitoksille. (Karassik & McGuire 1998, 720.) Laitoksen syöttövesikapasiteetti voidaan jakaa yhdelle tai useammalle rinnankytketylle pumpulle. Pumppujen lukumäärän valinta riippuu laitoksen tyypistä ja ajotavasta. Teollisuuskäytössä ja yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa laitosten kuormat voivat vaihdella suurestikin ja näin ollen tällaisissa laitoksissa käytetään yleensä vähintään kahta kapasiteetiltaan 50 % syöttövesipumppua (Karassik & McGuire 1998, 723). Yhden täyden kapasiteetin pumpun käyttö on tavallista perustehoa tuottavissa voimalaitoksissa aina 350 MW teholuokkaan asti. Tätä suuremmissa laitoksissa käytetään yleisemmin kahta 50 % pumppua. Nämä ovat kuitenkin pikemminkin yleisiä käytäntöjä

12 kuin absoluuttisia sääntöjä: kapasiteettia voidaan jakaa useammalle pumpulle myös alle 350 MW laitoksissa ja toisaalta etenkin höyryturbiini-käytöllä toimivia syöttövesipumppuja voidaan operoida täydellä kapasiteetilla teholtaan jopa 1300 MW laitoksissa. Riippumatta normaalikäytössä olevien pumppujen lukumäärästä, laitoksesta löytyy yleensä yksi varalla oleva syöttövesipumppu. (Karassik & McGuire 1998, 723.) Syöttövesipumpulta vaadittavan nostokorkeuden määrittämiseksi on tunnettava haluttu loppupaine (kattilan, höyrystimen tai reaktorin paine) ja syöttövesivirtauksen painehäviöt. Painehäviöt on luonnollisesti määritettävä suurimpaan mahdolliseen syöttövesipumpun tuottamaan massavirtaan perustuen. Pumpulta vaadittava nostokorkeus saadaan laskettua vähentämällä ulostulopaineesta pumpun imupaine. (Karassik & Mc- Guire 1998, 724.) 3.2 Syöttövesipumpun rakenne Keskipakopumput voidaan karkeasti jakaa vaiheiden eli impellerien lukumäärän perusteella yksi- ja moniportaisiin pumppuihin. Moniportaisessa pumpussa massavirta kaikkien pumpun vaiheiden läpi on sama. Kukin vaihe nostaa veden painetta määrätyn verran ja koko pumpun nostokorkeus saadaan laskemalla yhteen kunkin erillisen vaiheen tuottamat nostokorkeudet. Yhden pumpun sisältämien vaiheiden lukumäärää rajoittavat värähtelytekniset seikat. (Gülich 2010, 55.) Yksiportaista, eli yhden impellerin sisältävää pumppua voidaan käyttää syöttövesipumppuna, kun vaadittu nostokorkeus on tarpeeksi matala. Tästä syystä yksiportainen keskipakopumppu on yleinen syöttövesipumpputyyppi sekä PWR että BWR tyypin ydinvoimalaitoksissa. (Sulzer 2010, 263.) Mikäli haluttuja tuottoarvoja ei pystytä saavuttamaan tavallisella yksiportaisella pumpulla ilman että hyötysuhde tippuu merkittävästi, voidaan käyttää moniportaisia pumppuja (Gülich 2010, 55). Tämä on yleinen ratkaisu tavanomaisten voimalaitosten syöttövesipumpuissa, joissa vaaditut nostokorkeudet ovat yleensä suuria.

13 Impellerien lukumäärän lisäksi syöttövesipumppujen rakennetta voidaan tarkastella niissä käytettyjen kotelointi- ja staattoriratkaisujen perusteella. Keskipakopumppujen kotelointi tarkoittaa pumppua ympäröivää rakennetta, jolla on useita pumpun toiminnan kannalta oleellisia tehtäviä ja ominaisuuksia. Karassik & McGuire (1998, 18) nimeävät koteloinnin tärkeimmiksi ominaisuuksiksi seuraavat viisi tekijää: 1. Pumpun painesäiliönä toimiminen 2. Staattorina toiminen tai staattoriliitäntöjen mahdollistaminen (spiraali tai diffuusori) 3. Roottorin asentamisen ja poistamisen mahdollistaminen 4. Pumpun tukeminen tai toimiminen osana pumpun tukirakennetta 5. Pumpun ja roottorin linjauksen ylläpitäminen käytön aikana Pumppujen kotelorakenteita voidaan luokitella eri kategorioihin käytetyn kollektorirakenteen perusteella tai sen mukaan miten pumpun kotelointi on avattavissa. Kotelorakenteet voidaan jakaa avattavuuden perusteella aksiaalisesti ja radiaalisesti halkaistuihin koteloihin. Aksiaalisesti halkaistun koteloinnin etuna on huollon ja tarkastusten helppous: pumpun roottoriin päästään käsiksi yksinkertaisesti irrottamalla koteloinnin yläosa. Radiaalisesti halkaistuissa pumpuissa roottori joudutaan vetämään ulos koteloinnin sisältä. Radiaalisesti halkaistu kotelointi on kuitenkin helpompaa ja edullisempaa valmistaa kestämään korkeita painetasoja johtuen yksinkertaisesta, sylinterimäisestä muodosta. Aksiaalisesti halkaistuille pumpuille valmistuskustannusten kannalta järkevä suunnittelupaineen yläraja on luokkaa 170 baaria. (Karassik & McGuire 1998, 46.) Tämä rajoittaa kotelorakenteen käyttöä syöttövesipumpuissa. Moniportaisissa pumpuissa voidaan myös käyttää kaksoiskotelointia, jossa pumpun aksiaalisesti tai radiaalisesti halkaistu kollektori muodostaa sisemmän koteloinnin ja tämän ympärillä on vielä erillinen, yleensä radiaalisesti halkaistu kotelointi. Kaksoiskotelointi on yleinen ratkaisu syöttövesipumpuissa ja tällöin puhutaan yleensä barrel-

14 tyypin rakenteesta, jossa roottori, kollektori ja laakeripesät muodostavat yhtenäisen roottoripaketin (engl. cartridge), joka on sijoitettu erillisen, radiaalisesti halkaistun koteloinnin (engl. barrel) sisään (Gülich 2010, 55). Roottoripaketti voidaan poistaa ulomman koteloinnin sisältä huoltoa tai tarkastuksia varten. Staattorin tehtävänä on kerätä ja hidastaa juoksupyörältä poistuvaa virtausta. Virtauksen hidastamisella on kaksi tarkoitusta: virtauksen nopeuden laskeminen käyttökohteen edellyttämälle tasolle sekä virtauksen kineettisen energian muuttaminen paineeksi. Tärkeimmät staattorityypit ovat spiraali ja siivellinen diffuusori. (Karassik & McGuire 1998, 18.) Spiraali (engl. volute) on nimensä mukaisesti pumppua ympäröivä spiraalimainen kotelo. Se on yleensä kiinteä osa pumpun kotelointia. Spiraali kiertyy pumpun juoksupyörän ympäri 360 astetta spiraalin poikkipinta-alan kasvaessa alkupisteestä kohti kierroksen loppupistettä (Karassik & McGuire 1998, 18). Virtauskanavan poikkipinta-alan kasvaminen aiheuttaa virtauksen hidastumisen ja staattisen paineen nousun. Spiraali on yleinen ratkaisu yksiportaisissa keskipakopumpuissa. Spiraalia voidaan käyttää myös moniportaisissa pumpuissa vaiheiden välillä tai viimeisen vaiheen jälkeen hidastamassa virtausta ennen poistopuolen putkistoa. Siivellisen diffuusorin (engl. vaned diffuser, multiple-vane diffuser, diffuser) tapauksessa virtauksen hidastaminen toteutetaan juoksupyörää ympäröivien siipien avulla, joiden väliin virtaus juoksupyörältä poistuessaan joutuu. Siipien väliset virtauskanavat on muotoiltu poikkipinta-alaltaan laajeneviksi, mikä saa aikaan halutun hidastumisen ja paineennousun aivan kuten spiraalinkin tapauksessa. Huolimatta samankaltaisesta toimintaperiaatteestaan, siivellisellä diffuusorilla on spiraaliin verrattuna selkeitä haittoja ja etuja tarkasteltavasta sovelluksesta riippuen. Siivellinen diffuusori vie fyysisesti vähemmän tilaa spiraaliin verrattuna, mikä puolustaa sen käyttöä moniportaisissa keskipakopumpuissa ja siis myös syöttövesipumpuissa. Lisäksi koska siivellinen diffuusori on poikkileikkaukseltaan radiaalisesti yhdenmukai-

15 nen, se tekee siitä helpomman ratkaisun sovelluskohteissa, joissa kuuman väliaineen aiheuttaman lämpölaajentumisen huomioiminen on oleellista. Erillinen diffuusorisiivistö on myös yleensä halvempi ja helpompi ratkaisu moniportaisissa pumpuissa verrattuna valettuihin spiraalirakenteisiin. (Karassik & McGuire 1998, 44.) Siivellisen diffuusorin halutunlaisen toiminnan kannalta oleellisessa asemassa on juoksupyörältä poistuvan virtauksen kulma diffuusorin siipiin nähden. Koska siipiä ei yleensä pystytä säätämään, on diffuusorin optimaalinen toiminta siten rajoitettu melko kapealle kaistalle pumpun suunniteltuun toimintapisteeseen nähden. Virtauksen poistumiskulma juoksupyörältä muuttuu pumpun toiminta-arvojen, käytännössä etenkin tilavuusvirran, muuttuessa. Virtauksen poistumiskulman muuttumisen myötä diffuusorin kohtauskulman suuret muutokset aiheuttavat häviöitä, jotka vaikuttavat negatiivisesti pumpun toimintaan. (Karassik & McGuire 1998, 19.) Edellä mainitut seikat vaikuttavat siihen minkälainen staattorityyppi soveltuu parhaiten tiettyyn syöttövesipumpputyyppiin. Moniportaisissa, barrel-tyypin syöttövesipumpuissa käytetään yleisesti siivellisiä diffuusoreita kunkin vaiheen yhteydessä. Viimeisen vaiheen kohdalla siivellinen diffuusori on monesti korvattu spiraalilla. Yksiportaisissa syöttövesipumpuissa käytetään molempia staattorityyppejä. Moniportaisten pumppujen impellerit ovat yleensä yksipuolisesti imeviä, jolloin vältytään monimutkaiselta staattori- ja kotelorakenteelta (Karassik & McGuire 1998, 63). Yksiportaisissa syöttövesipumpuissa käytetään sen sijaan yleisesti kahtaalta imeviä impellereitä. Tässä tapauksessa virtaus saapuu impellerille kaksipuolisesti. Kahtaalta imevä impelleri vähentää pumpun NPSH-tarvetta yksipuolisesti imevään verrattuna ja pumpun aksiaalinen laakerikuormitus on tällöin vähäisempi, koska kahtaalta imevä impelleri on hydraulisesti tasapainossa (Karassik & McGuire 1998, 63). Syöttövesipumppujen impellereissä ja kotelorakenteissa käytetään yleisesti 12-13 % kromiseosteisia, martensiittisia teräksiä, joita ovat esimerkiksi CA-15 ja CA-6NM (McCaul et al. 2008, 8.36). Joissakin tapauksissa myös muiden, halvempien materiaali-

16 en käyttö on perusteltua. Valurauta ja tavallinen hiiliteräs ovat useimmissa tapauksissa alttiita korroosiolle johtuen syöttöveden korkeasta puhtausasteesta ja lämpötilasta. Materiaalien valinta perustuu prosessikohtaisiin syöttöveden parametreihin, joita ovat veden ph, lämpötila, sähkönjohtavuus sekä liuenneen hapen osuus (McCaul et al. 2008, 8.36). 3.3 Voimanlähteet Syöttövesipumppujen voimanlähteinä toimivat pääsääntöisesti sähkömoottorit ja höyryturbiinit. Suurin osa pienempien voimalaitosten syöttövesipumpuista käy vakiopyörimisnopeudella sähkömoottorien pyörittäminä. Pumpun nostokorkeuden ollessa alle 1500 metriä, pumppuja voidaan käyttää suoraan sähkömoottorin pyörimisnopeudella 3000 tai 3600 rpm (Karassik et al. 2008, 12.96). Tätä suuremmat pyörimisnopeudet voidaan toteuttaa kytkimillä ja vaihteistoilla. Höyryturbiineja käytetään lähinnä suuritehoisten pumppujen voimanlähteenä. Höyryturbiinikäyttö voidaan mitoittaa vastaamaan suoraan pumpun vaatimaa pyörimisnopeutta ilman vaihteiston käyttöä. Lisäksi höyryturbiineilla voidaan suoraan säätää pumpun pyörimisnopeutta ilman erillisiä osia kuten hydraulisia kytkimiä. (Karassik & McGuire 1998, 728.) Syöttövesipumppujen tehonlähteen mitoitus riippuu rinnankytkettyjen pumppujen määrästä. Yksittäisen, täydellä kapasiteetilla operoivan pumpun tehonlähde voidaan valita lähes suoraan tunnetun täyden kapasiteetin tehontarpeen perusteella käyttäen vain pientä varmuusmarginaalia, joka on suuruusluokaltaan noin 5 %. Tämä on mahdollista, koska yksin operoiva pumppu itsessään on mitoitettu laitoksen suurimman kuorman perusteella, eikä pumpun tehontarve voi näin ollen normaalitilanteissa kasvaa. (Karassik et al. 2008, 12.93.) Kahden tai useamman pumpun tapauksessa tilanne voi olla toisenlainen. Mitoitusperusteena voi olla esimerkiksi tilanne, jossa laitoksen ajaessa osakuormalla ainoastaan toi-

17 nen pumpuista käy. Tehontarve on tällöin suurempi kuin normaalissa tilanteessa, jossa molemmat pumput operoivat 50 % kapasiteetilla. (Karassik et al. 2008, 12.93.) Syöttövesipumppujen voimanlähteenä käytetyt sähkömoottorit sallivat yleensä noin 15 % nimellistehon ylityksen. Tämä ylikuormitettu tehoalue (engl. overload capacity) varataan yleensä turvamarginaaliksi, jolle ei normaalin tehokäytön aikana ajauduta missään tilanteessa. Poikkeuksia tähän käytäntöön tehdään lähinnä erittäin suurten sähkömoottorien tapauksessa, joissa voidaan sallia muutaman prosentin moottorin ylikuormitus pumpun mitoituksellisen tehontarpeen ollessa suurimmillaan. (Karassik & McGuire 1998, 725.) 3.4 Kavitoinnin estäminen syöttövesipumpuissa Useimmissa voimalaitosprosesseissa syöttövesipumput imevät syöttövettä erillisestä syöttövesisäiliössä ja pumppaavat veden edelleen kattilaan tai höyrystimille. Syöttövesisäiliössä sekoittuvat lauhduttimelta saapuva lauhdevirta sekä väliotoilta saapuvat virtaukset. Prosessisuunnittelussa pyritään yleisesti siihen, että syöttövesi on kylläisessä tilassa syöttövesisäiliöstä lähtiessään. Toisenlaisiakin prosessikytkentöjä käytetään. Esimerkiksi Olkiluodon 1 ja 2 laitosyksiköissä erillistä syöttövesisäiliötä ei ole, vaan lauhdesäiliönä toimivat lauhduttimen vesikammiot (TVO 2013, 30). Syöttövesipumpulle saapuva vesi on verrattain lämmintä. Esimerkiksi Loviisan ydinvoimalan tapauksessa syöttöveden lämpötila on 165 C ja paine 7 bar. Tällaisessa tapauksessa on erityisen tärkeää varmistua siitä, että pumpun imupuolen NPSH- marginaali on riittävän suuri, jotta pumppu ei pääse kavitoimaan missään olosuhteissa. NPSHmarginaalia voidaan nostaa imupuolen painetta kasvattamalla. Tämä voidaan toteuttaa sijoittamalla syöttövesisäiliö niin korkealle pumppuun nähden, että pumpun imuaukon tasolle kohdistuva hydrostaattinen paine estää pumpun kavitoinnin. Mikäli riittävää korkeutta ei pystytä toteuttamaan, voidaan käyttää ennen syöttövesipumppua sijoitettavaa booster-pumppua tai indusoria. Booster pumpun tehtävä on riittävän NPSH marginaalin takaaminen nostamalla syöttöveden painetta. (Karassik et al. 2008, 12.90.)

18 Booster pumput ovat tyypillisesti yksi- tai kaksiportaisia keskipakopumppuja, jotka toimivat varsinaista syöttövesipumppua alhaisemmalla pyörimisnopeudella. Booster pumput ovat yleisesti kahtaalta imeviä, jotta booster pumpun oma NPSH-tarve saadaan minimoitua. Booster pumppu voi olla yhdistetty vaihteiston avulla varsinaista syöttövesipumppua pyörittävään voimanlähteeseen tai sillä voi olla oma erillinen voimanlähteensä. (Karassik et al. 2008, 12.90.) Indusori on aksiaaliseen virtaukseen perustuva propellipumppu, joka on kytketty sarjaan varsinaisen syöttövesipumpun kanssa. Indusorin tehtävänä on booster-pumpun tavoin nostaa syöttöveden painetta ennen syöttövesipumpun imuaukkoa. Indusorin oma NPSHtarve on suunniteltu alhaiseksi ja se on toisaalta rakennettu kestämään verrattain voimakasta kavitointia vahingoittumatta (Karassik & McGuire 1998, 70). Indusorin käyttö rajoittaa syöttövesipumpun toiminta-aluetta koska indusorit toimivat tyydyttävästi vain pumpun tilavuusvirran ollessa tietyllä rajatulla alueella.. (Karassik & McGuire 1998, 70.) Tämän tuottoalueen alapuolella pumppu on altis takaisinvirtaukselle ja toisaalta sen yläpuolella indusori ei pysty nostamaan veden painetta tarpeeksi ennen varsinaista pumppua (Karassik & McGuire 1998, 71).

19 4 YDINVOIMALAITOSTEN SYÖTTÖVESIJÄRJESTELMÄT Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan kahta yleisintä ydinvoimalaitostyyppiä: painevesija kiehutusvesilaitoksia. Kummassakin laitostyypissä reaktorin jäähdytys ja lämmönsiirto perustuu tavalliseen veteen. 4.1 PWR Painevesilaitosten vesi-höyrykierto koostuu kahdesta erillisestä piiristä. Primääripiirissä ydinreaktorissa fissioista syntyvä lämpö siirtyy reaktorisydämen läpi virtaavaan veteen. Veden paine pidetään tarpeeksi korkeana, jotta kiehumista ei pääse tapahtumaan. Reaktorista poistuva kuuma vesi johdetaan höyrystimille. Höyrystimet ovat lämmönsiirtimiä, joissa sekundääripiirin vettä höyrystetään primääripiirin veden avulla. Samalla primääripiirin vesi jäähtyy ja se johdetaan pääkiertopumppujen avulla takaisin reaktoriin. (Eurasto et al. 2004, 45.) Sekundääripiirin toimintaperiaate vastaa tavanomaista lauhdutusvoimalaitosprosessia sillä erotuksella, että koska tulistusmahdollisuutta ei ole, höyry on turbiinille saapuessaan kylläisessä tilassa. Höyrystimissä kehitetty höyry johdetaan turbiinille, jossa se paisuu luovuttaen energiaa. Turbiinilta paisunut höyry johdetaan lauhduttimeen, jossa se tiivistyy takaisin nesteeksi. Lauhde pumpataan edelleen syöttövesisäiliöön lauhdepumppujen avulla. Syöttövesisäiliöstä lauhde johdetaan syöttövesipumpuille, jotka pumppaavat syöttövettä höyrystimille samalla nostaen syöttöveden paineen vastaamaan haluttua höyrystimien sekundääripuolen painetta.

20 Kuva 4.1: PWR ydinvoimalaitoksen periaatekaavio käyttäen esimerkkinä Loviisan voimalaitosta (Eurasto et al. 2004, 45). PWR laitoksen syöttövesijärjestelmän tehtävänä on pitää höyrystimien pinnankorkeudet asetusarvoissaan ja varmistaa näin primääripiirin jäähdytys. Pinnankorkeutta säädetään höyrystinkohtaisesti pinnansäätöventtiilien avulla. Säätöventtiilien ohjaus riippuu laitoksen sen hetkisestä tehotasosta: normaalissa tehokäytössä käytössä on höyrystimen pinnankorkeuteen ja syöttöveden sekä tuotetun höyryn massavirtoihin perustuva kolmipistesäätö. (Miyake et al. 2013, 186.)

21 4.2 BWR Kiehutusvesilaitosten vesi-höyrykierto koostuu yhdestä yhtenäisestä piiristä. Reaktorisydämen läpi virtaava vesi kiehuu ja höyrystyy paineen ollessa matalampi PWR laitoksiin verrattuna. Syntynyt kylläinen höyry johdetaan sen jälkeen turbiinille, jossa se paisuu luovuttaen energiaa. (Eurasto et al. 2004, 48.) Tämän jälkeen höyry johdetaan lauhduttimille, joissa se tiivistyy takaisin nestemäiseen olomuotoon. BWR:n lauhteenkäsittelyjärjestelmä koostuu lauhdepumpuista ja esilämmittimistä, joissa syöttövettä esilämmitetään väliottohöyryn avulla. Esilämmittimien jälkeen syöttövesi johdetaan syöttövesipumpuille, jotka syöttävät vettä reaktorille ja nostavat veden paineen vastaamaan reaktorin painetta. Kuva 4.2: BWR laitoksen kiertokaavio (Eurasto et al. 2004, 48).

22 Huolimatta suorasta yhteydestä reaktoriin, syöttövesipumppuja ei käytetä kiehutusvesilaitoksissa reaktorin tuottaman tehon säätöön. BWR laitoksen reaktiivisuuden ja edelleen laitoksen tuottaman tehon säätöön on kaksi pääasiallista menetelmää: säätösauvoihin perustuva säätö ja jäähdytevirtauksen säätö erillisten reaktorin kiertopumppujen avulla (Kondo et al. 2013, 137). Syöttövesipumppujen tärkein tehtävä on ylläpitää haluttua vesipinnankorkeutta reaktorin paineastian sisällä. Veden pinta ei saa laskea niin paljon, että polttoaineen jäähdytys vaarantuisi, eikä toisaalta nousta liikaa, jolloin vaarana olisi nestemäisen veden päätyminen turbiiniin (Kondo et al. 2013, 140). Veden pinnan korkeutta hallitaan syöttövesivirtausta säätämällä. Säätö perustuu niin sanottuun kolmipistesäätöön, jossa syöttövesipumppujen tuottoa säädetään reaktoriin virtaavan syöttöveden ja sieltä poistuvan höyryn massavirtojen sekä reaktorin mitatun pinnankorkeuden perusteella (Kondo et al. 2013, 141). Normaalissa tehokäytössä vedenpinnan korkeus ei vaihtele merkittävästi. Veden pinnankorkeus on kuitenkin altis muutoksille esimerkiksi reaktorin tehon tai paineen muuttuessa. (Kondo et al. 2013, 140.) Koska BWR laitos koostuu yhdestä kiertopiiristä, piirissä virtaava vesi voi sisältää reaktorin paineastian sisällä aktivoitunutta radioaktiivista ainesta ja kontaminaatiot ovat siten mahdollisia myös syöttövesijärjestelmässä. Tämä tulee ottaa huomioon esimerkiksi syöttövesipumppuja huollettaessa.

23 5 YDINVOIMALAITOSTEN SYÖTTÖVESIPUMPUT Syöttövesipumput toimivat ydinvoimalaitoksissa samalla periaatteella kuin muissakin voimalaitoksissa: pumput syöttävät syöttövettä höyrystettäväksi turbogeneraattoreissa tapahtuvaa sähkötehon tuotantoa varten. Ydinvoimalaitoksissa syöttövesijärjestelmillä on kuitenkin tavanomaisiin voimalaitoksiin verrattuna kriittisempi rooli laitoksen turvallisuuden kannalta: syöttövedellä jäähdytetään primääripiiriä tai kiehutusvesilaitoksen tapauksessa suoraan reaktoria ja taataan näin laitoksen turvallinen toiminta. Ydinvoimalaitosten syöttövesipumpuilta vaadittu nostokorkeus sijoittuu yleisesti välille 500 800 m. Syöttöveden lämpötila vaihtelee välillä 130 185 C (vastaavan kylläisen paineen ollessa luokkaa 3 11 baaria). Laitostyypistä riippumatta ydinvoimalaitosten tuorehöyryn paine on paljon alhaisempi tavanomaisiin voimalaitoksiin verrattuna. Tätä kompensoidaan höyryn määrällä, mikä vastaavasti tarkoittaa, että syöttövesipumppujen on kyettävä käsittelemään suuria tilavuusvirtoja. (Sulzer 2010, 263.) Suurista massavirroista ja pumpulta vaaditusta verrattain matalasta nostokorkeudesta johtuen ydinvoimalaitosten pääsyöttövesipumput ovat yleisesti rakenteeltaan yksiportaisia, kahtaalta imeviä keskipakopumppuja (Sulzer 2010, 263). Staattorirakenteet vaihtelevat, ja sekä siivellisiä diffuusoreja että spiraaleja käytetään. Barrel tyyppinen, radiaalisesti halkaistu kotelointi on yleinen ratkaisu myös ydinvoimalaitosten syöttövesipumppujen tapauksessa. Pumppujen konstruktiomateriaaleina käytetään samanlaisia materiaaleja kuin tavanomaisten voimalaitosten pumpuissa. Kuvassa 5.1 on esitelty tyypillistä ydinvoimalaitoksen syöttövesipumppua käyttämällä esimerkkinä Flowserven CN mallista pumppua. Kyseinen pumppumalli on valmistajan oman ilmoituksen mukaan käytössä 25 % maailman paine- ja kiehutusvesilaitoksissa venäläisiä VVER sarjan laitoksia lukuun ottamatta (Flowserve 2008).

24 Kuva 5.1: Flowserve CN syöttövesipumppu. Muokattu lähteestä (Flowserve 2008, 4). Ydinvoimalaitoksissa reaktorin tai primääripiirin jäähdytys on aina varmistettu varsinaisen pääsyöttövesijärjestelmän lisäksi erilaisilla vara- ja hätäsyöttövesijärjestelmillä. Näissä järjestelmissä käytettyjen hätä- ja varasyöttövesipumppujen ei tarvitse välttämättä olla suoritusarvoiltaan pääsyöttövesipumppujen veroisia. Tilanteissa, joissa pääsyöttövesi on menetetty ja varajärjestelmiä joudutaan ottamaan käyttöön, reaktori pyritään sammuttamaan pikasululla ja varajärjestelmien tehtäväksi jää näin ollen reaktorin jälkilämpötehon poistaminen. Painevesilaitosten kohdalla syöttövesipumppujen kuristussäätö on yleisin säätötapa syöttöveden tarpeen ollessa käytännössä lähes muuttumaton. BWR:n tapauksessa voidaan käyttää myös pyörimisnopeussäätöä systeemin ominaiskäyrän ollessa jyrkempi. (Sulzer 2010, 263.)

25 5.1 Pumppuvalmistajat ja -mallit Suurista pumppuvalmistajista ainakin Flowserve, KSB ja Sulzer valmistavat nimenomaan ydinvoimalaitoskäyttöön tarkoitettuja syöttövesipumppuja. Valmistajien pumppumalleja on esitelty taulukossa 5.1 ja kuvissa 5.2 5.4. Pumppujen leikkauskuvista ja teknisistä tiedoista voidaan huomata, että pumpuissa käytetyt konstruktioratkaisut ovat hyvin samanlaisia. Pumput ovat yksiportaisia ja kahtaalta imeviä ja kaikki kolme mallia hyödyntävät radiaalisesti halkaistua barrel-tyypin rakennetta. Pumppujen suoritusarvot ovat niin ikään melko lähellä toisiaan. Taulukko 5.1: Pumppumallien vertailua. Flowserve CN KSB RHD Sulzer HPTd Impellerit 1 1 1 Staattori Diffuusori Diffuusori / spiraali / kaksoisspiraali Diffuusori / kaksoisspiraali Q [m 3 /h] 5100 4500 4000 H [m] 750 1000 1000 P [kw] 10413 12250 10889 n [rpm] 6000 6500 5400 N s [-] 0,9 0,8 0,6 Kuva 5.2: KSB AG:n RHD-sarjan syöttövesipumppu (valettu rakenne). Maksimaaliset suoritusarvot: tuotto 4500 m 3 /h, nostokorkeus 1000 m, pyörimisnopeus 6500 rpm (KSB AG 2013, 2).

26 Kuva 5.3: Sulzer HPTd syöttövesipumppu. Maksimaaliset suoritusarvot: tuotto 4000 m 3 /h, nostokorkeus 1000 m, pyörimisnopeus 5400 rpm (Sulzer 2010, 264). Kuva 5.4: Flowserven CN-sarjan syöttövesipumppu. Maksimaaliset suoritusarvot: tuotto 5100 m 3 /h, nostokorkeus 750 m, pyörimisnopeus 6000 rpm (Flowserve 2008, 4).

27 6 LOVIISA 1 & 2 Fortum Oyj:n Loviisan voimalaitos koostuu kahdesta laitosyksiköstä, jotka kummatkin ovat VVER-440 tyyppisiä painevesilaitoksia. Kummankin laitosyksikön nettosähköteho on 496 MW (Fortum 2013). 6.1 Syöttövesijärjestelmän ja -pumppujen yleiskuvaus Loviisan molemmilla laitoksilla syöttöveden käsittelystä vastaa laitoksen RLjärjestelmä (kuva 6.1.). Pääsyöttövesijärjestelmän tehtävänä on pitää höyrystimien vedenpinnat asetusarvoissaan pumppaamalla niihin esilämmitettyä syöttövettä reaktorin ollessa tehokäytöllä. Järjestelmään kuuluu kummallakin laitosyksiköllä viisi pääsyöttövesipumppua ja kaksi syöttövesisäiliötä. Syöttövesisäiliöiden yhteenlaskettu vesitilavuus vastaa viiden minuutin täyden tehon syöttövesitarvetta. (Fortum 1999a.) Kuva 6.1: Loviisan RL - pääsyöttövesijärjestelmä (Fortum 1999a).

28 Esilämmitetty päälauhde saapuu turbiinikohtaisesti toiseen syöttövesijärjestelmän kahdesta syöttövesisäiliöistä. Syöttövesisäiliössä lauhde johdetaan ensin kaasunpoisto-osan lävitse. Kaasunpoistimilta pisaramuodossa poistuva lauhde lämmitetään tämän jälkeen omakäyttöhöyryllä kylläiseen 165 C lämpötilaan. Tällöin lauhteesta erottuvat lauhtumattomat kaasut. Kaasunpoistolla pidetään höyrystimille syötettävän veden happipitoisuus sallituissa rajoissa. Kaasunpoiston jälkeen lauhde ohjataan syöttövesisäiliön vesitilaan. (Fortum 1999a.) Pääsyöttövesipumpuista neljä käy täydellä teholla viidennen ollessa varalla, valmiina automaattista käynnistystä varten. Kaikkien imulinjat on kytketty molemmat syöttövesisäiliöt yhdistävään kollektoriin. Pääsyöttövesipumput ovat vaaka-akselisia, nelivaiheisia keskipakopumppuja. Kussakin on lisäksi aksiaalinen indusori vaihe imupaineen korottamiseksi ja siten kavitoinnin estämiseksi. Syöttövesipumput nostavat syöttöveden paineen täydellä teholla 8 baarista 79 baariin. (Fortum 1999a.) Kuva 6.2: Loviisan pääsyöttövesipumppu (Fortum 1999a).

29 Syöttövesipumput pumppaavat veden kaikille pumpuille yhteiseen painetukkiin, josta virtaus jaetaan kahteen osaan. Tämän jälkeen syöttöveden lämpötila nostetaan korkeapaine-esilämmittimissä lämpötilaan 228 C. Esilämmittimien jälkeen syöttövesi johdetaan kahteen kokoojatukkiin, joista se edelleen jaetaan kuudelle höyrystimelle. (Fortum 1999a.) 6.2 Varajärjestelmät Primääripiirin jäähdytys varsinaisten pääsyöttövesipumppujen pettäessä on varmennettu hätä- ja varahätäsyöttövesipumpuilla. Hätäsyöttövesijärjestelmää käytetään hätätilanteiden lisäksi laitoksen ylös- ja alasajossa. Tehokäytön aikana järjestelmän tehtävänä on pumpata syöttövettä höyrystimille siinä tapauksessa, että pääsyöttövesijärjestelmä ei ole käytettävissä ja varmistaa näin primääripiirin jäähdytys. Hätäsyöttövesipumppujen kapasiteetti on kuitenkin pumppua kohden vain noin 2,2 % pääsyöttövesipumppujen yhteenlasketusta täyden tehon tuotosta. Näin ollen reaktori on sammutettava pikasululla, mikäli pääsyöttövesi menetetään. (Fortum 1999b.) Järjestelmä koostuu kahdesta osajärjestelmästä, joista kumpikin pitää sisällään yhden hätäsyöttövesipumpun liitäntöineen. Pumput ovat kaksijuoksuisia ja kaksitoistavaiheisia keskipakopumppuja. Toinen järjestelmistä käynnistyy automaattisesti syöttövedenpinnan tason laskiessa yhdessäkin höyrystimessä määrätyn verran alle asetetun nimellispinnan tai mikäli pääsyöttövesi menetetään. Molemmat järjestelmät otetaan käyttöön, mikäli vedenpinta tippuu merkittävästi alle nimellispinnan. (Fortum 1999b.) Hätäsyöttövesijärjestelmän lisäksi syöttöveden pumppaaminen höyrystimille on varmennettu varahätäsyöttövesijärjestelmällä. Järjestelmän komponentit on sijoitettu fyysisesti erilleen turbiinihallista erilliseen pumppaamorakennukseen. Järjestelmä pitää sisällään kaksi pumppua ja näiden imu- ja painepuolen putkiliitännät molemmille laitoksille. Pumppujen painepuolen putkistot on yhdistetty yhdyslinjalla, joka mahdollistaa pumppujen käytön ristiin eli toistensa varapumppuina. Pumput ovat hätäsyöttövesipumppujen

30 tapaan kaksijuoksuisia, kaksitoistavaiheisia keskipakopumppuja. Hätäsyöttövesipumpuista poiketen varahätäsyöttövesijärjestelmän pumppujen voimanlähteenä toimivat diesel-moottorit. Hätäsyöttövesipumput on suunniteltu takaamaan reaktorin ja primääripiirin jäähdytys 30 minuuttia reaktorin pikasulun jälkeen. Järjestelmä pystyy tuottamaan noin 30 MW jäähdytystehon, joka riittää kattamaan reaktorin jälkitehon ja pääkiertopumppujen veteen siirtämän tehon. (Fortum 2000.) Varahätäsyöttövesijärjestelmän käynnistymistä ei ole automatisoitu, vaan se tapahtuu aina operaattoritoimintona. Pumput käynnistetään minimikierrolle, kun pää- ja hätäsyöttövesijärjestelmien toiminta on uhattuna ja otetaan käyttöön, kun nämä ensisijaiset järjestelmät on menetetty. (Fortum 2000.)

31 7 OLKILUOTO Olkiluodon ydinvoimalaitosalue koostuu Teollisuuden Voima Oy:n omistamista kahdesta 880 MW:n kiehutusvesilaitoksesta Olkiluoto 1 ja 2 sekä rakenteilla olevasta Olkiluoto 3 laitoksesta (TVO 2013a, 57). Olkiluoto 3 on kahdesta muusta laitoksesta poiketen EPR tyyppinen painevesilaitos. 7.1 Olkiluoto 1 ja 2 Olkiluoto 1 ja 2 ovat kiehutusvesilaitoksia. Laitosten lauhde- ja syöttövesijärjestelmä koostuu pumpuista ja lämmönvaihtimista, joilla syöttövesi esilämmitetään 185 C lämpötilaan viidessä eri vaiheessa (kuva 7.1). Varsinaista syöttövesisäiliötä ei ole, vaan lauhduttimen vesikammiot toimivat lauhteen varastointisäiliöinä. (TVO 2013a, 29-30.) OL1 laitoksella on käytössä neljä 25 % pumppua ja OL2 laitoksella puolestaan neljä 33 % pumppua. Pumppujen voimanlähteenä toimivat sähkömoottorit. Syöttövesivirtausta voidaan säätää pumppujen pyörimisnopeussäädön avulla, joka tapahtuu hydraulisten kytkimien välityksellä. (TVO 2013a, 31.) OL1 ja OL2 laitoksilla käytössä olevat syöttövesipumput ovat saksalaisen KSB AG:n valmistamia RHD sarjan, yksiportaisia keskipakopumppuja. Valmistajan ilmoittama pumppujen nimellistuotto on 420 kg/s ja nostokorkeus 758 m. (KSB 2012a.) Laitosten syöttövesivirtaus on täydellä teholla noin 1250 kg/s, joka jakautuu syöttövesipumpuille laitoskohtaisen pumppukonfiguraation mukaisesti (TVO 2013a, 31).

32 Kuva 7.1: OL1 ja OL2 laitosten syöttövesijärjestelmä (TVO 2013, 31). 7.2 Olkiluoto 3 Rakenteilla olevan Olkiluoto 3 laitoksen syöttövesijärjestelmään kuuluu neljä syöttövesipumppua, joista kolme on käynnissä normaalissa käyttötilanteessa neljännen ollessa varalla. Pumput imevät vetensä syöttövesisäiliöstä ja pumppaavat sen esilämmittimien läpi höyrystimille. (TVO 2013b, 31.) OL3:n syöttövesipumput ovat malliltaan samanlaisia KSB:n RHD pumppuja kuin muissakin Olkiluodon laitosyksiköissä. Pumput on kytketty sarjaan saman valmistajan YNK sarjan booster pumppujen kanssa, jotka nostavat syöttöveden painetta syöttövesipumppujen imupuolella. Valmistajan ilmoittamat ominaissuoritusarvot pumpuille ovat tuotto 3490 m 3 /h ja nostokorkeus 1007 m. (KSB 2012b.)

33 8 YHTEENVETO Kandidaatintyössä perehdyttiin syöttövesipumppujen tekniikkaan ja tutkittiin ydinvoimalaitosten syöttövesipumppujen erityispiirteitä. Syöttövesipumppujen keskeisiä toiminta-arvoja ovat nostokorkeus ja tuotto, joiden perusteella voidaan jo hyvin pitkälti määritellä tarvittavan pumpun perusominaisuudet. Syöttövesipumppujen osalta tunnistettiin myös oleelliseksi parametriksi pumpun NPSH-tarve, jonka avulla voidaan varmistaa, ettei pumppu pääse kavitoimaan missään tilanteessa. Syöttövesipumpun valintaan vaikuttavat edellä mainittujen lisäksi myös laitoksen vesikemia sekä esimerkiksi syöttöveden lämpötilan ja paineen vaihtelut erilaisissa prosessitilanteissa. Voimalaitoksissa käytetään yleisesti useampia rinnankytkettyjä syöttövesipumppuja, mutta tietyissä tapauksissa myös yhden 100 % pumpun käyttäminenkin on mahdollista. Sopiva pumppukonfiguraatio riippuu laitoskoosta ja tyypistä. Syöttövesipumput ovat lähes poikkeuksetta keskipakopumppuja. Pumppujen rakenteen osalta syöttövesipumput voidaan jakaa ryhmiin muun muassa juoksupyörien lukumäärän, kotelorakenteen ja staattorityypin perusteella. Moniportaiset pumput ovat yleisimpiä tavanomaisissa voimalaitoksissa, jossa nostokorkeudet ovat suuria. Kotelorakenteen osalta yleinen ratkaisu on niin sanottu radiaalisesti halkaistu barrel-rakenne mutta myös aksiaalisesti halkaistut rakenteet ovat mahdollisia käyttöpaineen ollessa riittävän alhainen. Syöttövesipumppujen voimalähteenä käytetään useimmiten sähkömoottoreita ja erityisesti suuritehoisten pumppujen kanssa myös joissakin tapauksissa höyryturbiineja. Imupaineen korotukseen syöttövesipumppujen yhteydessä käytetään yleisesti booster pumppuja ja indusori vaiheita. Ydinvoimalaitosten höyrynarvot ovat selvästi tavanomaisia voimalaitoksia alhaisempia ja näin ollen myös syöttövesipumpulta vaadittava nostokorkeus jää matalammaksi. Tämän vuoksi syöttövesipumput voidaan toteuttaa yksiportaisina. Kaikki suurimpien pumppuvalmistajien ydinvoimalaitosten syöttövesipumpuiksi tarkoitetut pumppumallit

34 ovat yksiportaisia. Yksiportaiset syöttövesipumput ovat yleensä kaksipuolisesti imeviä, jolloin pumppu on hydraulisesti tasapainossa ja pumpun NPSH tarve on matalampi. Ydinvoimalaitosten syöttövesijärjestelmät eivät poikkea periaatteeltaan merkittävällä tavalla tavanomaisista voimalaitoksista, mutta ydinvoimalaitoksissa syöttövesijärjestelmillä on myös turvallisuuskriittinen rooli reaktorin jäähdytyksessä. Ydinvoimalaitosten syöttövesipumppujen säätö perustuu reaktorin tai höyrystimien pinnankorkeuden sekä syöttöveden- ja tuorehöyryn massavirtojen mittaamiseen. Säätö on normaalisti toteutettu pumpun jälkeisenä kuristussäätönä. Kiehutusvesilaitoksissa voidaan käyttää myös pyörimisnopeussäätöä. Suomalaisista ydinvoimalaitoksista Olkiluodon syöttövesipumput edustavat modernimpaa tekniikkaa. Molemmissa käyvissä laitoksissa sekä rakenteilla olevassa OL3 laitoksessa käytössä olevat pumput ovat yksiportaisia, kahtaalta imeviä keskipakopumppuja. Pumppukonfiguraatiot vaihtelevat laitoskohtaisesti. Loviisan ydinvoimalaitoksen syöttövesipumput sen sijaan ovat nelivaiheisia neuvostoliittolais-valmisteisia pumppuja, eivätkä siten edusta rakenteeltaan nykyaikaisten ydinvoimalaitosten syöttövesipumppujen valtavirtaa.

35 LÄHDELUETTELO Eurasto et al. 2004. Osa 2: Ydinvoimalaitostekniikan perusteita. 25 78. Teoksessa Toim. Sandberg, Jorma. 2004. Ydinturvallisuus. Hämeenlinna: Säteilyturvakeskus. 412 s. ISBN 951-712-507-0. [viitattu 9.3.2014] Saatavissa: http://www.stuk.fi/julkaisut_maaraykset/kirjasarja/fi_fi/kirjasarja5/_files/12222632510 021139/default/kirjasarjaV_ydinturvallisuus_2.pdf Flowserve 2008. CN Steam Generator and Reactor Feed Water Pump. [tekninen esite]. [viitattu 8.3.2014] Saatavissa: http://www.flowserve.com/files/files/literature/productliterature/pumps/ps-80-4- ea4.pdf Fortum. 1999a. Loviisan voimalaitoksen yleiskuvaus, osa 2. RL pääsyöttövesijärjestelmä. Fortum. 1999b. Loviisan voimalaitoksen yleiskuvaus, osa 5. RL92/93 hätäsyöttövesijärjestelmä. Fortum. 2000. Loviisan voimalaitoksen yleiskuvaus, osa 5. RL94 varahätäsyöttövesijärjestelmä. Fortum. 2013. Voimalaitoksen toiminta: Loviisan voimalaitos vuonna 2012. [Fortumin www-sivuilla]. Päivitetty 4.6.2013. [viitattu 17.3.2014]. Saatavissa: http://www.fortum.com/fi/energiantuotanto/ydinvoima/loviisan_voimalaitos/vltoiminta/sivut/default.aspx Gülich, Johann. 2010. Centrifugal Pumps. 2 nd edition. [e-kirja]. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 964 s. ISBN 978-3-642-12823-3. [viitattu 9.3.2014]. Saatavissa LUT:n verkossa: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-12824-0

36 Karassik, Igor & Heald, C. 2008. Centrifugal pumps: Major components 2.249-2.316. Teoksessa Toim. Karassik, Igor et al. 2008. Pump Handbook. 4 th edition. New York: McGraw-Hill, cop. 1500 s. ISBN 978-0-07-146044-6. Karassik, Igor & Koch, Richard & Behnke, Paul. 2008. Steam power plants. 12.79 12.115. Teoksessa Toim. Karassik, Igor et al. 2008. Pump Handbook. 4 th edition. New York: McGraw-Hill, cop. 1500 s. ISBN 978-0-07-146044-6. Karassik, Igor & McGuire, Ted. 1998. Centrifugal pumps: selection, operation and maintenance. 2 nd edition. New York: Chapman & Hall. 989 s. ISBN 0-412-06391-3. Kondo, Koichi et al. 2013. Chapter 7: Actual Operation Control of Boiling Water Reactor. 129 166. Teoksessa Toim, Oka, Yoshiaki & Suzuki, Katsuo. 2013. Nuclear Reactor Kinetics and Plant Control. Springer Japan. 305 s. ISBN 978-4-431-54195-0. KSB AG. 2009. CHTD Horizontal, multistage high-pressure barreltype pump. [tekninen esite]. [viitattu 8.3.2014] Saatavissa: https://shop.ksb.com/ims_docs/ec/ec5bac4d268adb1fe1000000cea40cb4.pdf KSB AG. 2012a. Olkiluoto, Finland Unit 1 and 2. [tekninen esite]. [viitattu 8.3.2014] Saatavissa: http://www.ksb.com/linkableblob/ksb-en/891642-194243/data/olkiluoto_u1-2-data.pdf KSB AG. 2012b. Olkiluoto, Finland Unit 3. [tekninen esite]. [viitattu 8.3.2014] Saatavissa: http://www.ksb.com/linkableblob/ksb-en/13514-193230/data/olkiluoto_u3- data.pdf KSB AG. 2013. RHD/YNK (cast design) Single-stage between bearings pump. [tekninen esite]. [viitattu 8.3.2014] Saatavissa: https://shop.ksb.com/ims_docs/32/32339f527f941813e10000000ad50628.pdf

37 Larjola, Jaakko & Jaatinen, Ahti & Korhonen, Calle. 2011. BH40A0200 Pumput, puhaltimet ja kompressorit. [kurssimoniste]. LUT Energia. Lappeenranta: Lappeenrannan teknillinen yliopisto, teknillinen tiedekunta. 123 s. McCaul, Colin & Miller, Ronald & Link, Ellen. 2008. Metallic materials and damage mechanisms. 8.3 8.50. Teoksessa Toim. Karassik, Igor et al. 2008. Pump Handbook. 4 th edition. New York: McGraw-Hill, cop. 1500 s. ISBN 978-0-07-146044-6. Miyake et al. 2013. Chapter 8: Actual Operation and Control of Pressurized Water Reactor. 167 208. Teoksessa Toim, Oka, Yoshiaki & Suzuki, Katsuo. 2013. Nuclear Reactor Kinetics and Plant Control. Springer Japan. 305 s. ISBN 978-4-431-54195-0. Riikonen, Pekka. 1993. KSB:n pumpputoimitukset Meri-Poriin. Energia. Vol. 1993: 10, s. 28 29. ISSN 0781-9463. Sulzer Pumps. 2010. Centrifugal Pump Handbook. 3 rd edition. Elsevier Ltd. 297 s. ISBN 978-0-75-068612-9. TVO. 2013a. Ydinvoimalaitosyksiköt OL1 ja OL2. [tekninen esite] [viitattu 8.3.2014] Saatavissa: http://www.tvo.fi/uploads/julkaisut/tiedostot/ol1_ol2_laitosyksikot_tekninen_esite.pd f TVO. 2013b. Ydinvoimalaitosyksikkö OL3. [tekninen esite] [viitattu 8.3.2014] Saatavissa: http://www.tvo.fi/uploads/julkaisut/tiedostot/ydinvoimalaitosyksikko_ol3_fin.pdf Wirzenius, Allan. 1978. Keskipakopumput. 3. painos. Tampere: Tampereen kirjapaino Oy. 323 s.